Intelligente Bodenfeuchtemessung mit LoRaWAN für Landwirtschaft und Bewässerungssteuerung

Eine effiziente Bewässerung sollte nicht ausschließlich nach einem festen Zeitplan erfolgen. Landwirtschaftliche Betriebe, Gewächshäuser, Weinberge und Obstplantagen benötigen aktuelle Bodendaten, um festzustellen, wann bewässert werden muss und welche Wassermenge erforderlich ist.

Ein LoRaWAN-Bodenfeuchtesensor misst den Feuchtigkeitsgehalt im Wurzelbereich und überträgt die Daten über ein stromsparendes Funknetz mit hoher Reichweite.

Dadurch können räumlich verteilte Felder überwacht werden, ohne Kommunikationskabel zu verlegen oder jeden einzelnen Sensor mit einer Mobilfunkkarte auszustatten.

Shenzhen Jinshengchang Technology Co., Ltd. entwickelt kundenspezifische LoRa- und LoRaWAN-Geräte für landwirtschaftliche Anwendungen. Eine OEM- oder ODM-Lösung kann Bodensensoren, LoRaWAN-Gateways, ferngesteuerte Wasserventile, eine IoT-Plattform, mobile Apps und eine API-Schnittstelle umfassen.

Was ist ein LoRaWAN-Bodenfeuchtesensor?

Ein LoRaWAN-Bodenfeuchtesensor ist ein landwirtschaftliches IoT-Gerät, das Messwerte aus dem Boden erfasst und drahtlos an ein LoRaWAN-Gateway übermittelt.

Je nach ausgewählter Sonde können folgende Parameter gemessen werden:

• Volumetrischer Wassergehalt
• Bodentemperatur
• Elektrische Leitfähigkeit
• Salzgehalt
• Stickstoff, Phosphor und Kalium
• Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit
• Batteriespannung
• Betriebs- und Fehlerstatus der Sonde

Das Gateway empfängt die LoRaWAN-Datenpakete und leitet sie über 4G, Ethernet oder WLAN an einen Netzwerkserver beziehungsweise eine IoT-Plattform weiter.

Eine typische Systemarchitektur sieht folgendermaßen aus:

Bodensensor → LoRaWAN-Endgerät → LoRaWAN-Gateway → Netzwerkserver → IoT-Plattform → Webportal, App oder API

Mehrere Sensoren können dasselbe Gateway verwenden. Die tatsächliche Funkreichweite hängt von Gelände, Vegetation, Montagehöhe, Antennenausführung, Sendeleistung und den regionalen Funkvorschriften ab.

Warum eignet sich LoRaWAN für landwirtschaftliche Sensoren?

Funkkommunikation über große Entfernungen

LoRaWAN wurde für die Übertragung kleiner Datenpakete über große Entfernungen entwickelt. Die Technologie eignet sich deshalb für Felder, Weiden, Weinberge, Plantagen und Obstgärten mit weit voneinander entfernten Messpunkten.

Die reale Reichweite sollte immer vor Ort getestet werden. Hügel, Bäume, Gebäude, feuchte Vegetation und eine zu niedrige Gateway-Position können die Funkabdeckung beeinträchtigen.

Niedriger Energieverbrauch

Das Endgerät kann sich während des größten Teils der Betriebszeit im Energiesparmodus befinden. Es wird im eingestellten Intervall aktiviert, liest die Sonde aus, sendet die Messwerte und kehrt anschließend in den Schlafmodus zurück.

Dieses Betriebsmodell ermöglicht eine lange Batterielaufzeit. Für abgelegene Einsatzorte kann zusätzlich ein Solarmodul integriert werden.

Keine separate SIM-Karte für jeden Sensor

Die Sensoren kommunizieren mit einem gemeinsam genutzten LoRaWAN-Gateway. Daher benötigt normalerweise nicht jeder Messpunkt eine eigene SIM-Karte oder einen separaten Mobilfunktarif.

Wenn das Gateway 4G als Backhaul-Verbindung nutzt, ist nur für das Gateway eine Datenkarte erforderlich. Das kann die laufenden Kosten und den Verwaltungsaufwand großer Sensornetze reduzieren.

Flexible Erweiterung

Ein Projekt kann mit wenigen Messpunkten beginnen und später durch zusätzliche Sensoren, Gateways und Bewässerungszonen erweitert werden.

Die Geräte lassen sich auf der Plattform beispielsweise nach folgenden Kriterien verwalten:

• Landwirtschaftlicher Betrieb
• Feld oder Parzelle
• Gewächshaus
• Pflanzenart
• Bewässerungszone
• Kunde oder Händler

Typische Einsatzbereiche

Bewässerung landwirtschaftlicher Flächen

An repräsentativen Stellen installierte Sensoren erfassen die Veränderung der Bodenfeuchtigkeit vor und nach der Bewässerung.

Bleibt der Messwert unter einem definierten Grenzwert, kann die Plattform einen Alarm auslösen. Dadurch muss sich der Betreiber weniger auf Sichtprüfungen oder starre Bewässerungszeiten verlassen.

Obstplantagen und Weinberge

Obstbäume und Reben können je nach Bodenart, Hanglage, Wurzeltiefe und Sonneneinstrahlung unterschiedliche Wassermengen benötigen.

Ein LoRaWAN-Sensornetz ermöglicht den Vergleich verschiedener Bereiche und unterstützt eine bedarfsgerechte Bewässerungsstrategie.

Gewächshäuser

In einem Gewächshaus können Bodenfeuchtigkeit, Bodentemperatur, Lufttemperatur und relative Luftfeuchtigkeit gemeinsam erfasst werden.

Die Daten können manuelle Entscheidungen unterstützen oder als Grundlage für automatische Bewässerungsregeln dienen.

Weiden und abgelegene Betriebe

Abgelegene landwirtschaftliche Gebiete verfügen häufig weder über eine feste Stromversorgung noch über Breitbandinternet.

Batterie- oder solarbetriebene Sensoren können zusammen mit einem autarken Solar-LoRaWAN-Gateway ein vollständiges Überwachungsnetz aufbauen.

Parks und kommunale Grünflächen

Drahtlose Bodensensoren können auch in Parks, Gärten, Sportanlagen, Straßenbegrünungen und anderen kommunalen Grünflächen eingesetzt werden.

Das System hilft dabei, zu trockene Bereiche, Überbewässerung oder mögliche Störungen der Wasserverteilung zu erkennen.

Kombination mit intelligenten LoRaWAN-Wasserventilen

Der Bodenfeuchtesensor liefert die Messdaten. Ein intelligentes LoRaWAN-Wasserventil führt den Steuerbefehl aus.

Sind beide Geräte mit derselben Plattform verbunden, kann der Ablauf folgendermaßen gestaltet werden:

1. Der Sensor erkennt eine niedrige Bodenfeuchtigkeit.
2. Die Plattform prüft, ob der Messwert über einen definierten Zeitraum unter dem Grenzwert bleibt.
3. Das System sendet einen Öffnungsbefehl an das Wasserventil der entsprechenden Zone.
4. Die Bewässerung läuft für die konfigurierte Dauer.
5. Das Ventil wird automatisch geschlossen.
6. Der Sensor misst die Bodenfeuchtigkeit erneut.
7. Die Plattform speichert den gesamten Bewässerungsvorgang.

Für eine zuverlässige Automatisierung sollten zusätzlich Niederschlag, Wasserdruck, Durchfluss, Ventilrückmeldung und Kommunikationsstatus berücksichtigt werden.

Eine einzelne ungewöhnliche Messung sollte nicht ohne zusätzliche Bestätigung sofort eine Bewässerung auslösen.

Unterstützte Sondentypen

Verschiedene Bodenarten und Pflanzen können unterschiedliche Messtechnologien erfordern. Die Sonde sollte daher nicht ausschließlich nach dem Preis ausgewählt werden.

Mögliche Integrationen sind:

• Kapazitive Bodenfeuchtesonde
• FDR-Bodenfeuchtesonde
• TDR-Bodenfeuchtesonde
• Kombinierter Feuchte- und Temperatursensor
• Sonde für Feuchtigkeit, Temperatur und elektrische Leitfähigkeit
• Mehrstufige Sonde für unterschiedliche Bodentiefen
• Landwirtschaftlicher RS485-Modbus-Sensor
• Analoge Spannungs- oder Stromausgangssonde
• SDI-12-kompatibler Umweltsensor

Messbereich, Genauigkeit und Kalibrierungsverfahren hängen von Bodenstruktur, Salzgehalt, Einbautiefe und Projektanforderungen ab.

Anpassbare technische Spezifikationen

Die folgenden Angaben stellen mögliche Projektoptionen und nicht die festen Daten eines einzelnen Standardmodells dar.

Die endgültigen Parameter sollten nach Auswahl der Sonde, des Sendeintervalls und der Einsatzbedingungen festgelegt werden.

IoT-Plattform und Datenmanagement

Eine vollständige Plattform zur landwirtschaftlichen Überwachung kann folgende Funktionen bereitstellen:

• Aktuelle Bodenfeuchtigkeitswerte
• Historische Messdaten und Diagramme
• Verwaltung von Feldern und Bewässerungszonen
• Einstellbare Minimal- und Maximalwerte
• Warnung bei niedrigem Batteriestand
• Offline-Alarm für Sensoren
• Überwachung des Gateway-Status
• Speicherung von Kalibrierungsdaten
• Benutzer- und Rechteverwaltung
• Zugriff über Webportal und mobile App
• Datenexport
• Mehrsprachige Benutzeroberfläche
• API für externe Systeme
• Fernkonfiguration der Geräte
• Automatisierungsregeln für Wasserventile

Die lora8-Plattform kann Sensordaten, Gateway-Status, Alarmmeldungen und fernsteuerbare Geräte in einer gemeinsamen Benutzeroberfläche verwalten.

Alternativ können die Geräte an einen kundeneigenen LoRaWAN-Netzwerkserver oder eine bestehende Agrarplattform angebunden werden.

Planung der Gateway-Abdeckung

Der Standort des Gateways hat direkten Einfluss auf die Stabilität der Funkverbindung.

Das Gateway sollte nach Möglichkeit:

• Oberhalb der Pflanzen und Vegetation montiert werden;
• Ausreichenden Abstand zu großen Metallkonstruktionen haben;
• An einem funktechnisch freien Standort installiert werden;
• Für den Außeneinsatz geschützt sein;
• Zugang zu 4G, Ethernet oder WLAN besitzen;
• Gegen Blitzschlag und Überspannung geschützt werden.

Große landwirtschaftliche Flächen können mehrere Gateways benötigen. Eine teilweise überlappende Funkabdeckung kann Versorgungslücken reduzieren und die Systemverfügbarkeit verbessern.

Vor einer großflächigen Installation sollte ein Pilotprojekt mit der vorgesehenen Antenne, Frequenz, Montagehöhe und Übertragungsrate durchgeführt werden.

Messgenauigkeit und fachgerechte Installation

LoRaWAN übernimmt die Datenübertragung, bestimmt jedoch nicht die Messgenauigkeit des Sensors.

Die Qualität der Messwerte hängt hauptsächlich von der Sonde, der Kalibrierung, den Bodenbedingungen und der Installation ab.

Für zuverlässige Ergebnisse sollten folgende Punkte beachtet werden:

1. Eine geeignete Sonde für die vorhandene Bodenart auswählen.
2. Den Sensor in der relevanten Wurzeltiefe installieren.
3. Einen guten Kontakt zwischen Sonde und Boden sicherstellen.
4. Lufteinschlüsse rund um die Messfläche vermeiden.
5. Nicht alle Sensoren direkt neben Wasserauslässen montieren.
6. Die ersten Daten mit einer Referenzmessung vergleichen.
7. Bei einem Wechsel zu einer deutlich anderen Bodenart neu kalibrieren.
8. Kabel und Anschlüsse vor Maschinen und Tieren schützen.

Ein einzelner Messpunkt bildet möglicherweise nicht den Zustand des gesamten Feldes ab. Große oder ungleichmäßige Flächen sollten nach Bodenart, Höhenlage, Kultur und Bewässerungsstruktur unterteilt werden.

OEM-Entwicklung von LoRaWAN-Bodensensoren

Jinshengchang kann ein vollständiges Sensorendgerät entwickeln und nicht nur ein Kommunikationsmodul liefern.

Die OEM- und ODM-Leistungen können Folgendes umfassen:

• Auswahl und Integration der Messsonde
• Entwicklung kundenspezifischer LoRaWAN-Leiterplatten
• Stromsparende Embedded-Firmware
• Kundenspezifisches Uplink-Datenformat
• Downlink-Befehle zur Fernkonfiguration
• Konfiguration regionaler Frequenzbänder
• Batterie- und Solarladetechnik
• Entwicklung wetterfester Gehäuse
• Kundenspezifisches Logo und Etikett
• Individuelle Verpackung
• Auswahl und Planung der Gateways
• Integration in Cloud-Plattformen
• Unterstützung für Android- und iOS-Apps
• MQTT-, HTTP- und API-Anbindung
• Herstellung von Prototypen
• Feldtests
• Serienproduktion

Eine kundenspezifische LoRaWAN-Firmware kann außerdem adaptive Übertragungsintervalle unterstützen.

Das Gerät kann beispielsweise seltener senden, wenn sich die Bodenbedingungen kaum verändern, und die Übertragungsrate bei schnellen Feuchtigkeitsänderungen erhöhen.

Angaben für eine Projektanfrage

Für die technische Bewertung und Angebotserstellung sollten folgende Fragen beantwortet werden:

1. Welche Pflanzenart oder Anwendung soll überwacht werden?
2. Welche Parameter müssen gemessen werden?
3. In welcher Tiefe soll die Messung erfolgen?
4. Wie viele Messpunkte werden benötigt?
5. Wie groß ist das Einsatzgebiet und welche Topografie liegt vor?
6. Welches LoRaWAN-Frequenzband ist im Zielland zulässig?
7. Wie häufig sollen die Sensoren Daten übertragen?
8. Werden Batteriebetrieb oder Solarversorgung benötigt?
9. Soll das System Wasserventile automatisch steuern?
10. Wird die lora8-Plattform oder ein eigener Server verwendet?
11. Werden ein individuelles Gehäuse, Protokoll, Logo oder eine eigene Verpackung benötigt?

Mit diesen Angaben können Sondentyp, Batteriekapazität, Gateway-Anzahl und Kommunikationsparameter bestimmt werden.

Warum Jinshengchang Technology?

Shenzhen Jinshengchang Technology Co., Ltd. verfügt über Erfahrung in den Bereichen GPS-Positionierung, LoRa-Kommunikation, Embedded-Hardware, stromsparende Firmware und IoT-Plattformen.

Zu den Entwicklungsmöglichkeiten gehören:

• LoRa- und LoRaWAN-Endgeräte
• Integration landwirtschaftlicher Sensoren
• Fernsteuerung von Bewässerungsventilen
• LoRaWAN-Gateways für Innen- und Außenbereiche
• Batterie- und solarbetriebene Geräte
• Firmware-Entwicklung in C
• Webplattformen und mobile Apps
• API-Integration
• Installation auf privaten Servern
• OEM- und ODM-Produktion
• Technischer Support und Kundendienst

Dieser integrierte Entwicklungsansatz eignet sich für Kunden, die ein vollständiges Smart-Farming-System und nicht nur eine einzelne Messsonde benötigen.

Fazit

Ein LoRaWAN-Bodenfeuchtesensor liefert wichtige Messdaten für intelligente Bewässerung, Gewächshäuser, Weinberge, Obstplantagen, landwirtschaftliche Flächen und kommunale Grünanlagen.

Zuverlässige Ergebnisse entstehen durch das Zusammenspiel einer geeigneten Sonde, fachgerechter Installation, stabiler LoRaWAN-Abdeckung und sinnvoller Automatisierungsregeln.

Durch die Verbindung von Bodensensoren, LoRaWAN-Wasserventilen, Gateways und einer zentralen Plattform können einzelne Messpunkte zu einem umfassenden System für das Bewässerungs- und Wassermanagement ausgebaut werden.

Für die Entwicklung eines OEM-LoRaWAN-Bodensensors, eines Gateways oder einer kundenspezifischen intelligenten Bewässerungslösung wenden Sie sich an Shenzhen Jinshengchang Technology Co., Ltd.

Kontakt

Unternehmen: Shenzhen Jinshengchang Technology Co., Ltd.
Ansprechpartner: Wang Tao
E-Mail: 397017470@qq.com
WhatsApp: +86 134 8088 1974
Telefon: +86 134 8088 1974 / +86 177 2242 0256
Website: www.lora8.net
Adresse: Raum 305, Ailian Chuangzhao Plaza, Bezirk Longgang, Shenzhen, Guangdong, China.